材料与成形技术-1

封面第1章工程材料

材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。材料作为生产活动的基本投入之一，对生产力的发展有深远的影响。历史上曾把当时使用的材料，当作历史发展的里程碑，如“石器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”等。我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一。周朝是青铜器的极盛时期，到春秋战国时代，已普遍应用铁器。直到19世纪中叶，大规模炼钢工业兴起，钢铁才成为最主要的工程材料。科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。

工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。图1-1为材料比强度随时间的进展的示意图，该图表明今日先进材料强度比早期材料增长50倍。1.2固体材料的性能

固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力载荷作用下表现出来的性能。1.强度和塑性

材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。1)弹性和弹性模量试样加载后应力不超过一定值，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。工程上把弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力，称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。2)塑性载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，其性能称为塑性。3)强度在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。2.硬度9

硬度是指金属材料表面抵抗其它硬物体压入的能力，它是衡量金属材料软硬程度的指标。硬度值和抗拉强度等其它力学性能指标之间存在一定关系，故在零件图上，对力学性能的技术要求往往是标注硬度值。生产中也常以硬度作为检验材料性能是否合格的主要依据，并以材料硬度作为制定零件加工工艺的主要参考。测定硬度最常用的方法是压入法，工程上常用的硬度指标是布氏、洛氏和维氏硬度。

3.冲击韧度

评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB229-1984制成带U形缺口的标准试样，将具有质量G（单位：kg）的摆锤举至高度为H（单位：m），使之自由落下，将试样冲断后，摆锤升至高度h（单位：m）。图1-4摆锤冲击试验图1-5材料的冲击韧度值－温度关系曲线4.疲劳强度2

许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。零件的疲劳失效过程分为三个阶段：疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂。产生疲劳断裂的原因，是由于材料内部的缺陷、加工过程中形成的刀痕、尺寸突变导致的应力集中等。5.断裂韧度4

一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。当应力强度增大到某一临界值时，使裂纹尖端的应力场大到足以使裂纹失稳扩展，从而导致材料发生断裂。这个应力强度的临界值，称为材料的断裂韧度，用KⅠC表示。它反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。

6.金属的高温力学性能5

材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。许多机械零件在高温下工作，在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服强度σS、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。

蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。从9·11事件看高温蠕变

撞击大楼的波音757飞机起飞重量104t，波音767飞机起飞重量156t，它们的飞行速度大约是每小时1000km。从速度比这小得多的汽车相撞事故，可以想象这次大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大，但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1m，但无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油，波音767飞机可载51t燃油，几乎将它们的满满一飞机油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的钢材，而它上部楼层约数千吨到上万吨的重量自然就会落下来，像一个巨大的铁锤，砸向下面的楼层，对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时的重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。

61.3金属的结构

固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。7

晶体和金属的特性原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”，如图1-8a所示。晶体具有固定的熔点。金属晶体中，金属原子失去最外层电子变成正离子，每一个正离子按一定规则排列并在固定位置上作热振动，自由电子在各正离子间自由运动，并为整个金属所共有，形成带负电的电子云。正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“金属键”。1.4金属的结晶

原子从一种聚集状态转变成另一种规则排列的过程，称为“结晶”，结晶可以是液态金属转变成固态金属；或固态金属转变成固态金属，即固态金属的相变。金属的结晶一般在过冷的条件下进行；结晶的过程是由形成晶核和晶核长大两个阶段组成。1.5二元合金

由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质称为合金。组成合金最基本、最独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的化学元素，或是稳定的化合物。两种组元组成的合金称为二元合金。液态合金结晶时，合金组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开的均匀组成部分。固态合金按其晶格结构的基本属性，可分为固溶体和金属化合物两类。

1.固溶体合金在固态下，组元间互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元称为固溶体的溶剂，其它组元称为固溶体的溶质。溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。2.金属化合物

合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶格结构与合金的另一组元相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并具有一定的金属特性，则新相是合金组元相互作用形成的一种新物质——金属化合物。金属化合物一般具有复杂晶体结构。它熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。

金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度、耐热性和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此，金属化合物在合金中常作为强化相，它是合金的重要组成相。1.6铁碳合金

铁碳合金是以铁和碳为组元的二元合金，是机械制造中应用最广泛的金属材料。

铁是具有同素异构的金属。铁碳合金的基本组元是Fe与Fe3C，属于二元合金。其基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体三种。由基本相组成的铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体和低温莱氏体六种。组织名称符号组织特点碳的最大溶解度力学性能铁素体F碳溶解于体心立方晶格α-Fe中所形成的固溶体0.0218％塑性和韧性较好δ＝30％～50％，σb=180～280MPa奥氏体A碳溶解于面心立方晶格Υ-Fe中所形成的固溶体2.11％质软、塑性好δ＝40％～50％HBW＝170～220渗碳体Fe3C具有复杂斜方结构的铁与碳的间隙化合物6.69％塑性、韧性几乎为零，脆、硬珠光体PWC=0.77％的奥氏体同时析出F与Fe3C的机械混合物（共析反应）

σb=600～800MPa，δ=20％～25％，HBW＝170～230莱氏体LdLdˊWC=4.3％的金属液体同时结晶出A和Fe3C的机械混合物(共晶转变)硬度很高，塑性很差表1-2铁碳合金基本组织1.7碳钢

目前工业上使用的钢铁材料中，碳钢占有很重要的地位。由于碳钢冶炼方便，加工容易，价格低且在许多场合碳钢的性能可以满足要求，故在工业中应用非常广泛。碳钢是指碳的质量分数小于2.11％的铁碳合金。实际生产中使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素，这些元素是从矿石、燃料和冶炼等渠道进入钢中的。杂质对钢的力学性能有重要的影响。表1-5杂质元素对钢的影响杂质名称杂质含量%在钢中的影响锰（Mn）wMn<1.2脱氧，降低钢的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi<0.4脱氧，强化铁素体，提高钢的强度、硬度；但塑性、韧性下降硫（S）wS<0.055～0.040生成低熔点共晶体，形成热脆磷（P）wP<0.055～0.040全部溶于铁素体，提高铁素体的强度、硬度，但形成冷脆1.8铸铁

铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料，其wC>2.11％。铸铁材料基本上以铸件形式应用，但近年来连续铸铁板材、棒材的应用也日见增多。铸铁中的碳除极少量固溶于铁素体中外，还因化学成分、熔炼处理工艺和结晶条件的不同，或以游离状态（即石墨）、或以化合形态（即渗碳体或其他碳化物）存在，也可以二者并存。铸铁成本低，铸造性能良好，体积收缩不明显，其力学性能、可加工性、耐磨性、耐蚀性、热导率和减振性之间有良好的配合，由于先进的生产技术和检测手段的应用，铸铁件的可靠性有明显的提高。铸铁用于基座和箱体类零件可充分发挥其减振性和抗压强度高的特点，在批量生产中，与钢材焊接相比，可以明显降低制造成本。1.9钢的热处理钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的一种工艺。热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。其目的是消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善毛坯的切削性能，改善零件的力学性能，延长其使用寿命，并为减小零件尺寸、减轻零件重量、提高产品质量、降低成本提供了可能性。因此，几乎90％以上的零件都要经过不同的热处理后才能使用。热处理分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等）及特殊热处理（形变热处理等）。但不是所有的材料都能进行热处理强化，能进行热处理强化的材料必须满足：①有固态相变；②经冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态；③表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面化学成分。

钢的化学热处理

化学热处理是将工件置入含有活性原子的特定介质中加热和保温，使介质中一种或几种元素(如C、N、Si、B、Al、Cr、W等)渗入工件表面，以改变表层的化学成分和组织，达到工件使用性能要求的热处理工艺。其特点是既改变工件表面层的组织，又改变化学成分。它可比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。(1)分解由介质中分解出渗入元素的活性原子。(2)吸收工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种，即活性原子由钢的表面进入铁的晶格形成溶体，或与钢中的某种元素形成化合物。(3)扩散已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面往里迁移，形成一定厚度的扩散层。表1-18常用化学热处理的渗入元素及作用渗入元素工艺方法渗层组织渗层厚度/mm表面硬度作用与特点应用C渗碳淬火后为碳化物、马氏体、残余奥氏体0.3～1.657～63HRC提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度，渗碳温度（930℃）较高，工件畸变较大常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条N渗氮合金氮化物、含氮固溶体0.1～0.6560～1100HV提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、抗回火软化能力，渗氮温度（550～570℃）较低，工件畸变小，渗层脆性大常用于含铝低合金钢、含铬中碳低合金钢、热作模具钢、不锈钢制作的齿轮、轴、镗杆、量具C、N碳氮共渗淬火后为碳氮化合物、含氮马氏体、残余奥氏体0.25～0.658～63HRC提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、抗回火软化能力，工件畸变小，渗层脆性大常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条N、C氮碳共渗氮碳化合物、含氮固溶体0.007～0.020500～1100HV提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、抗回火软化能力，工件畸变小，渗层脆性大常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条1.10钢中的合金元素

合金元素是为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而专门加入的元素。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。在平衡状态中，合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：

(1)与铁形成固溶体，不与碳形成任何碳化物，如硅、铜、铝、钴等。

(2)部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。但每一种元素固溶于铁素体和形成碳化物的倾向并不相同，因而其在铁素体和碳化物中的含量也有所不同。这一类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。

(3)不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂物，如Al2O3、AlN、FeO·Al2O3、SiO2·MxOy、TiN、MnS等。

(4)一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSi、FeCr(σ)、Ni3Ti、Fe2W等。(5)有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。1.11合金钢

在Fe-C合金中加入一些其他的金属或非金属元素构成的钢，称为合金钢，其目的是为了改善碳钢的组织和性能，加入的元素称为合金元素。合金元素的加入使碳钢的淬透性、强度、硬度、耐热性、耐腐性、耐磨性等都得到了很大程度的提高。

合金结构钢是用于制造工程结构和机器零件的钢。用于工程结构的钢大多是普通质量的钢，承受静载荷的作用；用于机器零件的钢大多是优质钢，承受动载荷的作用，一般均需热处理，充分发挥钢材的潜力。

1.11.1合金结构钢

合金结构钢通常是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。合金元素通常为wMe<5％，故该钢种属于低、中合金钢。合金结构钢的牌号表示方法由三部分组成，即“数字＋元素符号＋数字”。前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数的百倍，当其平均质量分数<1.5时，牌号中一般只标出元素符号，而不表明数字，当其平均质量分数≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％…时，则在元素符号后相应标出2、3、4……。1.11.2合金工具钢

工具钢是制造刃具、量具、模具等各种工具用钢的总称。工具钢应具有高硬度、高耐磨性、高淬透性和足够的强度、韧性。合金工具钢中wS、wP均小于0.03%，故合金工具钢都是高级优质钢。1.合金刃具钢1)性能要求合金刃具钢用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀等。由于刃具在切削过程中既承受切削力、切削热的作用，又受到强烈的摩擦，因此要求刃具钢具有如下性能：(1)高的硬度和耐磨性一般要求刃具钢硬度为60～65HRC，若将硬度由60HRC提高到63HRC，则耐磨性可提高25％～30％。(2)足够的强度和一定的韧性保证刃具不断裂或崩刃。(3)高的红硬性刀具刃部受热后，仍能保持高硬度的能力称为红硬性。红硬性的高低与钢的回火稳定性有关，回火稳定性愈高，红硬性愈高。2.模具钢

制造模具的钢称为模具钢。根据工作条件不同，分为热作模具钢和冷作模具钢两类。1)冷作模具钢用于制造金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷拔模、冷挤模、冷镦模等。冷模具的服役条件很恶劣，承受较大的冲击载荷，模具与坯料之间发生强烈摩擦。2）热作模具钢包括锤锻模、热压模、压铸模等，在工作中承受复杂应力，受热金属的摩擦及冷热的反复作用。3.量具钢

量具钢是用来制造各种测量工具的钢种，如制作量规、块规、千分尺等。由于量具在使用过程中易磨损和碰撞，另外量具本身必须尺寸精确，因此要求量具钢具有高的硬度、耐磨性、尺寸稳定性及一定的韧性。为了满足上述性能要求，量具钢多选用碳素工具钢(T10A，T12A等)、低合金工具钢(9SiCr、CrMn、CrWMn)、轴承钢(GCr15)制造。

1.11.3特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢及合金。机械工程比较重要的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。1.不锈钢不锈钢是指在空气、酸、碱、盐的水溶液等腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍，合金元素的表示方法与其他合金钢相同。

2.耐热钢在高温下工作的零件，要求材料具有耐热性。所谓耐热性，是指材料在高温下兼有抗氧化和高温强度的综合性能，具有良好耐热性的钢称为耐热钢。

3.耐磨钢耐磨钢是指在巨大压力和强烈冲击载荷下才能发生硬化的高锰钢，常用来制造坦克和拖拉机履带、碎石机颚板、铁路道岔、挖掘机铲斗、防弹钢板等。1.12非铁金属材料

钢、铁以外的金属材料称为非铁金属材料或有色金属材料。非铁金属元素有80余种，一般分为：轻金属，密度不大于4.5g/cm3，常用轻金属有铝、镁、钛、钾、钠、钙、锂等；重金属，密度大于4.5g/cm3，常用重金属有铜、铅、锌、镍镉等；贵金属，包括金、银、及铂族元素；高熔点金属，包括钨、钼、钽、铌、等；稀土金属，包括钇和镧系元素；放射性金属，包括钋、镭、锕、钍、铀等元素；半金属，其物理和化学性质介于金属与非金属之间的元素，如硅、硒、砷、硼等。非铁金属是各种合金钢、合金铸铁的合金化元素，添加少量、甚至微量非铁金属于普通钢铁中，可获得各种特殊性能的钢铁材料，从而最大限度地发挥了钢铁材料的潜力。许多非铁金属可以纯金属状态应用于工业和科学技术中。如Au、Ag、Cu、Al用作电导体，Ti用作耐腐蚀构件，W、Mo、Ta用作高温发热体，Al、Sn箔材用于食品包装，Hg用于仪表，硅是电子工业赖以生存和发展的材料。1.12.1铝及铝合金

铝是一种面心立方晶格的银白色金属，塑性好(δ＝50％，ψ＝80％)，适用于形变加工。铝的熔点为660℃，密度为2.7g/cm3，是一种轻金属材料。铝在地壳中的藏量约为地壳总质量的8.0％，超过铁(5.8％)，是地球上储量最多的一种金属元素。由于铝的化学性质活泼，与氧的亲和力强，因而在自然矿物中不存在金属铝。在金属材料中，铝的产量仅次于钢铁，为非铁金属材料产量之首。就消耗量的增长率而言却大大超过了钢的增长率。目前，世界原铝产量达1900万吨，其中50％用来制取加工材与深加工产品。而我国的铝合金品种，约占美国的一半，规格不足美国的1/4。铝之所以有如此广泛的用途是基于它有如下的特性：密度小，约为铁的密度的1/3；可强化，通过添加普通元素和热处理而获得不同程度的强化，其最佳者的比强度可与优质合金钢媲美；易加工，可铸造、压力加工、机械加工成各种形状；导电、导热性能好，仅次于金、银和铜。1.12.2铜及铜合金

在金属材料中，铜及其合金的应用范围仅次于钢铁。在非铁金属材料中，铜的产量仅次于铝。铜之所以用途广泛是由于它有如下优点：优良的导电性和导热性，优良的冷热加工性能和良好的耐腐蚀性能。其导电性仅次于银，导热性在银和金之间。铜为面心立方结构，强度和硬度较低，而冷、热加工性能都十分优良，可以加工成极薄的箔和极细的丝（包括高纯高导电性能的丝）；易于连接。铜还可与很多金属元素形成许多性能独特的合金。铜及其合金习惯上分为紫铜、黄铜、青铜和白铜。以铸造和压力加工产品（管、棒、线、型、板、带、箔）提供使用。广泛用于电气、电子、仪表、机械、交通、建筑、化工、海洋工程等几乎所有的工业和民用部门。1.12.3镁合金

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，它具有密度小、比强度和比模量高、导热性、切削加工性、铸造性能好、电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富、容易回收等一系列优点，因此，在汽车工业、通信电子业和航空航天业等领域正得到日益广泛的应用。镁合金作为结构件应用的最大用途是铸件，其中90％以上的是压铸件。限制镁合金广泛